變量噴霧系統(tǒng)的設(shè)計

張 可 兒

(隴東學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

變量噴霧系統(tǒng)的設(shè)計

張 可 兒

(隴東學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高農(nóng)藥利用率，減少農(nóng)藥殘留、環(huán)境污染的實際需求，設(shè)計了一種以52單片機(jī)為主要控制器件，脈寬調(diào)制技術(shù)控制調(diào)節(jié)電動隔膜泵的工作頻率和變量施藥的噴霧系統(tǒng)。介紹了變量噴霧的原理，給出了控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設(shè)計。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以完全與背負(fù)式噴霧器兼容，工作可靠、性能穩(wěn)定，可推廣使用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

52單片機(jī)；變量噴霧；自動控制；脈寬調(diào)制

Abstract： Aim at improving the utilization ratio of pesticide in agricultural production and reducing the pesticide residue and environmental pollution to satisfy actual demand,a variable applied spray system is designed.The design sets 52 single-chip microcomputer as its control core,and adopts pulse width modulation technology(PWM)to control the work frequency of variable spray,and gets the design of electric diaphragm pump.This paper introduces the principle of system variable spray and gives the design of the control system hardware circuit and software program.The experimental results show that the variable spray system performance has a stable control system and higher spray quality.That is compatible with the knapsack sprayer and can be effectively used in agricultural production.

Keywords： 52 single-chip microcomputer;variable spray;control system;pulse width modulation

變量施藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中通常包括三個階段：檢測階段、噴施優(yōu)化決策階段和變量噴施實施階段，其中變量噴施實施階段是最重要的一個階段。目前對于前兩個階段的研究較多，但對于第三個階段的研究還較欠缺[1]。針對當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)施藥器械的實施要求，設(shè)計能實時控制施藥量大小的變量噴霧系統(tǒng)已成為一個很緊迫的任務(wù)。該設(shè)計應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，一方面可以提高農(nóng)藥噴灑水平，降低農(nóng)民的生產(chǎn)投入，另一方面可以解決農(nóng)藥過施用量，降低環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境、被污染的土質(zhì)，使施藥技術(shù)達(dá)到高效?？梢钥闯?，設(shè)計一套“變量施藥”的噴霧系統(tǒng)來滿足這些要求，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有實際應(yīng)用價值[2-3]。

當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)上使用的噴霧器可謂是五花八門，種類繁多。噴霧器械質(zhì)量的好壞不僅影響著農(nóng)業(yè)噴霧時的作業(yè)效果，而噴藥者的人身健康、農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留等問題也不能小覷。手搖式噴霧器是一種靠人力提供動力來噴灑液體的噴霧裝置，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)病蟲害的防治和衛(wèi)生部門的防疫噴霧器械。手搖式噴霧器因其結(jié)構(gòu)簡單輕巧、制造和維修方便且價格低廉等原因，大量地應(yīng)用于當(dāng)前的農(nóng)業(yè)作業(yè)和防疫部門，但手搖式噴霧器由于噴霧技術(shù)粗放，不能自動調(diào)節(jié)流量，霧化效果差，勞動強(qiáng)度大，工效低的原因，改進(jìn)這種傳統(tǒng)式的噴霧器材的方案逐漸被提上日程上來。機(jī)動噴霧器與傳統(tǒng)的手搖式噴霧器相比，工作效率大幅提高，解放了勞動者的雙手。工作水壓大、噴霧效率高、射程高遠(yuǎn)，但作業(yè)時由于內(nèi)燃機(jī)工作時發(fā)出的機(jī)械噪音讓作業(yè)者經(jīng)常感到煩躁、疲勞，再者體積重大，成本較高，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還需專業(yè)人員維修。

電動噴霧器是近年來迅速發(fā)展起來的新型農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品，它以手動噴霧器為基礎(chǔ)，采用蓄電池作為動力，代替了手動噴霧器的手搖施壓。同時，電動噴霧器配備了電動隔膜泵作為其工作泵，使得藥液的霧化程度得到非常大的提高，并且具有價格低、重量輕、噪音小、能耗費用低、維修少等優(yōu)點[4]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該系統(tǒng)主要由STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片、使用L298N作為水泵的電機(jī)驅(qū)動、控制電路和隔膜泵供電模塊以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)占空比。除此之外，硬件部分還包括藥液箱、噴桿、噴頭、隔膜泵等。

1.1總體思想

該設(shè)計采用流量調(diào)節(jié)式來調(diào)節(jié)噴霧器的變量?；赑WM技術(shù)，以STC89C52RC單片機(jī)的核心板為該系統(tǒng)的控制核心，由于該單片機(jī)沒有直接輸出PWM波的I/O口，所以本設(shè)計中采用單片機(jī)定時器來模擬PWM波形，用來給驅(qū)動L298N提供使能端信號。電動機(jī)驅(qū)動隔膜泵的執(zhí)行器件達(dá)到調(diào)節(jié)流量、變量噴霧的變量式噴霧器的目的。

在設(shè)計該產(chǎn)品時，由于采用的水泵為12V的隔膜泵，傳統(tǒng)電動噴霧器一般采用的電源為鉛蓄電池，鉛蓄電池由于質(zhì)量較重且攜帶不方便，所以該系統(tǒng)采用了12V鋰電池作為本系統(tǒng)的供電電源，一方面用于直流電機(jī)驅(qū)動的用電，另一方面經(jīng)LM2596降壓模塊壓降成5V電壓給單片機(jī)最小系統(tǒng)供電。本系統(tǒng)設(shè)定的方波的周期為20ms，初始化啟動的脈沖信號的占空比為20%。打開變量噴霧器的機(jī)械閥門后，開始單片機(jī)程序的初始化并進(jìn)行噴霧作業(yè)。傳統(tǒng)的電動噴霧器由于沒有設(shè)計機(jī)械式的開關(guān)，在系統(tǒng)沒有上電之前，會出現(xiàn)漏液、滴液等一系列問題，在該設(shè)計中加入了機(jī)械開關(guān)，解決了傳統(tǒng)電動噴霧器的這一弊端。該系統(tǒng)的控制輸出的脈沖占空比可以通過按鍵來增大與減小，根據(jù)脈沖占空比的不同來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以調(diào)節(jié)噴霧的流量即變量噴霧。由于傳統(tǒng)的電動噴霧器只能用一種流量來進(jìn)行噴霧作業(yè)，該方式粗放，一方面浪費農(nóng)藥，另一方面施藥過量會造成環(huán)境污染等一系列問題。但隨著農(nóng)作物的不同，一般施藥量也應(yīng)該發(fā)生相應(yīng)的變化，所以該設(shè)計的可調(diào)節(jié)流量及變量噴霧的問題解決了傳統(tǒng)噴霧器不能因作物不同而噴霧作業(yè)的問題。該系統(tǒng)設(shè)計總框圖如圖1所示：

圖1 變量施藥噴霧系統(tǒng)總框圖

2 硬件電路設(shè)計

硬件設(shè)計是一個系統(tǒng)的骨架和軀體，完善合理的硬件設(shè)計對軟件編程和功能實現(xiàn)都大有裨益。因此硬件設(shè)計對于電路的整體設(shè)計都是非常重要的。由圖1變量施藥噴霧系統(tǒng)總框圖可知硬件組成部分涉及到單片機(jī)單元、電機(jī)驅(qū)動單元、電源部分、時鐘部分以及復(fù)位電路，每個單元分工合作完成各自的功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件部分的搭建，所以各單元的選擇與組合是設(shè)計的首要工作。

2.1系統(tǒng)電源設(shè)計

系統(tǒng)配套采用12V鋰電池供電，系統(tǒng)正常工作時隔膜泵與以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)所需要的電壓不同，所以不能同時運用同一個電勢的電源，為了使該變量噴霧系統(tǒng)高效正常的工作，給該系統(tǒng)提供可靠的電源至關(guān)重要。該系統(tǒng)使用12V的鋰電池作為配備電源，但52系列的單片機(jī)的正常工作電壓為5V左右，要讓該系統(tǒng)的控制部分能正常工作，必須要把12V的電壓處理成5V的電壓才能保證該系統(tǒng)的正常運行，同時為了防止電壓突變，在輸出端采用電容C3、C4進(jìn)行緩沖，最后得到+5V的直流電壓。開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗很小，而且效率高、體積小，重量輕容易攜帶。因技術(shù)性改造使其無較大散熱片，它的濾波性能也較高[5]。在外界電壓頻率變化有擾動的時候，它依然能夠穩(wěn)定輸出所需要的直流電壓。其系統(tǒng)供電焊接電路圖如圖2所示：

圖2 電源穩(wěn)壓原理圖

2.2復(fù)位與晶振電路

STC89C52RC單片機(jī)的時鐘信號產(chǎn)生方式通常有兩種：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。單片機(jī)正常工作時內(nèi)部必須要有振蕩電路，外部需接石英晶體構(gòu)成自激振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖信號[6]。

復(fù)位電路，就是將電路恢復(fù)至起始狀態(tài)的過程。為了確保微機(jī)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地工作，復(fù)位電路是不可或缺的重要部分。當(dāng)電源VCC上電時，電容C1充電，在阻值為10K的電阻上加上電壓，使單片機(jī)復(fù)位，并在幾個毫秒之后，電容會充滿電，10K的電阻上電流則降為0安培，電壓則為0V，使單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在工作期間，如果按下按鈕開關(guān)，電容就開始放電，在電路的10K電阻上出現(xiàn)電壓差，對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位；松開開關(guān)按鍵，電容又開始充電，在幾個毫秒之后，單片機(jī)重新進(jìn)入正常的工作狀態(tài)中。

晶振在一個設(shè)計系統(tǒng)中的作用非常大，它是電路中最常用的時鐘元件。就相當(dāng)于人類的心臟，因為它的跳動，單片機(jī)才能正常地工作。結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，晶振提供的時鐘頻率越高，單片機(jī)的運行速度也就越快，此系統(tǒng)晶振頻率采用12MHz。

2.3流量控制原理

在該設(shè)計中，采用的調(diào)節(jié)藥液流量的基本控制思想是利用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的輸入電壓達(dá)到對電機(jī)速度的控制，最終達(dá)到對流量的控制[6]。在日常使用中，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)已經(jīng)成為一種十分常見的直流電機(jī)調(diào)速方法[7-8]。針對直流電動機(jī)釆用脈寬調(diào)制調(diào)速方法，在直流電源電壓保持不變的情況下，通過電子開關(guān)不斷地聯(lián)通和斷開，達(dá)到改變電機(jī)電樞端的占空比的目的，調(diào)節(jié)電機(jī)電樞平均電壓值[9]。假設(shè)，附加在電動機(jī)電樞兩端矩形波的幅值電壓為Ua，則電機(jī)電樞兩端的電壓平均值即：

(1)

式中：

t1——開關(guān)每次接通的時間(S)

t2——開關(guān)每次斷開的時間(S)

T——開關(guān)通斷的時間周期(S)

其中α稱為占空比。通過改變α的值，來調(diào)節(jié)電壓。由于0≤α≤1，則Uα值的范圍為0～+Ud。

現(xiàn)在市場上存在的電動隔膜泵一般由壓縮空氣的泵頭和小型直流電機(jī)兩部分組成，通過直流電動機(jī)提供動力，帶動泵頭內(nèi)的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)運動。只要四個單向閥交替地開和關(guān)，這樣液體就能不斷地吸入與排出。改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，液體吸入和排放的速度也會相應(yīng)發(fā)生變化，最終達(dá)到噴霧流量得到控制的目的[10]。

2.4驅(qū)動電路

L298N是雙H橋型大功率集成電路，可以直接采用單片機(jī)的I/O口輸出的邏輯電平控制，它可以用做直流電動機(jī)、線圈、繼電器、步進(jìn)電動機(jī)等一系列負(fù)載元件的驅(qū)動。驅(qū)動最高電壓可以達(dá)到46V，每個單橋的持續(xù)電流最高可以達(dá)到2A。根據(jù)L298N的芯片要求，它的使能控制端ENA和ENB來接ST89C52RC的I/O口輸出單片機(jī)模擬的PWM波，通過改變輸入IN1～I(xiàn)N4的相序，就可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1～I(xiàn)N4的輸入全為低電平時，L298N內(nèi)部的所有晶體管都保持截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)就會保持停車狀態(tài)。

當(dāng)確定了一個硬件電路的原理方案以后，將電路圖轉(zhuǎn)化為實物是一個非常重要的過程，本方案中選用L298N為電機(jī)的驅(qū)動，該驅(qū)動芯片由于其自身引腳較多的緣故，在萬用板上直接搭出來顯然是不現(xiàn)實的。再者，當(dāng)一件產(chǎn)品量產(chǎn)時，必須做成印刷電路板。所以一件產(chǎn)品設(shè)計時必須用專用的軟件畫出相應(yīng)的印刷電路板，圖3是為本驅(qū)動設(shè)計的印刷電路板圖：

圖3 L298N電機(jī)驅(qū)動印刷電路板圖

2.5按鍵電路

本系統(tǒng)設(shè)計中使用了2個獨立型的按鈕式鍵盤(圖4)調(diào)節(jié)PWM的占空比，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2個按鈕式鍵盤直接串接在STC89C52RC的I/O口上，為了盡可能地消除干擾，每一路的鍵盤接一個10k的上拉電阻。即當(dāng)有按鍵被按下時單片機(jī)產(chǎn)生中斷，接著單片機(jī)計算出鍵值并執(zhí)行該鍵值對應(yīng)的功能程序，響應(yīng)程序設(shè)計的方式為中斷響應(yīng)方式，執(zhí)行完該程序后，退出該中斷程序，返回主程序。通過該鍵盤可以適時調(diào)節(jié)由單片機(jī)輸出方波的占空比大小。

圖4 調(diào)節(jié)按鍵

3 軟件編程及調(diào)試

本變量噴霧控制系統(tǒng)采用C語言編寫，C語言模塊化的編程思想解決了低級語言編程低效的弊端，主要包括系統(tǒng)工作流程設(shè)計、PWM信號產(chǎn)生程序設(shè)計以及占空比調(diào)節(jié)程序設(shè)計。編程工具的選擇在開發(fā)時顯得尤為重要。Keil C51軟件以它豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具已成為開發(fā)者的首選。

3.1系統(tǒng)軟件編程

系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)行初始化，初始化包括時鐘初始化和PWM設(shè)置初始化。時鐘初始化目的是配置系統(tǒng)的工作頻率。PWM初始化主要是配置PWM輸出起始占空比，設(shè)置分頻數(shù)以及設(shè)置信號頻率等。在按鍵端口設(shè)置中斷，按鍵觸發(fā)中斷后，通過延時去抖確認(rèn)按鍵按下才進(jìn)行鍵值處理程序，這樣可以實時增大或減小輸出的PWM方波信號的占空比。軟件工作流程如圖5所示。

3.2軟件調(diào)試

軟件調(diào)試就是在把程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)前，對目標(biāo)程序進(jìn)行編譯和調(diào)試的過程，多次對程序進(jìn)行改進(jìn)和完善，克服程序運行中出現(xiàn)的錯誤，確保程序運行的可靠性。

將調(diào)試好的程序，用Proteus軟件對系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真，并用示波器顯示出脈寬可調(diào)節(jié)的波形。用protues軟件仿真的結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)語

設(shè)計的變量噴霧控制系統(tǒng)提高了農(nóng)藥的利用率,降低了農(nóng)藥殘留和對環(huán)境的污染。經(jīng)試驗證明該控制系統(tǒng)設(shè)計合理、操作簡單，具有潛在的市場應(yīng)用前景。后續(xù)研發(fā)可朝著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化、自動化方向發(fā)展，通過機(jī)器視覺和激光掃描來識別噴施目標(biāo)；通過閉環(huán)控制，自動完成對苗木的生長狀況的識別和判斷，控制噴射量和噴射角度,提髙農(nóng)藥噴施有效性和準(zhǔn)確率，以實現(xiàn)噴霧系統(tǒng)的智能化控制。

圖5 軟件工作流程圖

圖6 protues仿真波形圖

[1]鄧巍，丁為民，何雄奎.變量噴施技術(shù)及其霧化特性評價方法綜述[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009(3)：94-102.

[2]朱月秋，陳小兵.淺談我國植保機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展機(jī)遇[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2007(10):9-11.

[3]葉劍.安徽省水稻害蟲藥劑防治演變歷史的探討[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：87-88.

[4]吳守箴，戚英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003：156-157.

[5]張宏建，蒙建波.自動檢測技術(shù)與裝置[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：36-45.

[6]賈玉瑛，王臣.基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報，2005(4)：334-337.

[7]侯麗華.AT89C52在脈寬調(diào)制變光系統(tǒng)的應(yīng)用[J].長春工程學(xué)院學(xué)報，2004，5(3)：57-59.

[8]宋健，姜軍生，趙文亮，等.基于單片機(jī)的直流電動機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006(1)：102-104.

[9]林金陽，王明福.基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(3):32-35.

[10]劉偉，汪小旵，丁為民，等.背負(fù)式噴霧器變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計與特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012(9):16-21.

【責(zé)任編輯答會明】

TheDesignofVariableSprayingSystem

ZHANG Ke-er

(ElectricalEngineeringCollege,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

TP202

A

1674-1730(2017)05-0041-04

2017-06-09

甘肅省高等學(xué)?？蒲许椖俊稄?fù)雜環(huán)境下異構(gòu)多自主體系統(tǒng)編隊控制研究》(2016B-102)

張可兒(1979—)，女，甘肅慶陽人，副教授，碩士，主要從事電子設(shè)計及自動控制研究。